автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Разработка аэродинамических схем с S-образными лопатками рабочих колес для реверсивных, неповоротно-лопастных осевых вентиляторов

На правах рукописи

ГРЕХНЁВА Елена Юрьевна

РАЗРАБОТКА АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СХЕМ С Б-ОБРАЗНЫМИ ЛОПАТКАМИ РАБОЧИХ КОЛЕС ДЛЯ РЕВЕРСИВНЫХ, НЕПОВОРОТНО-ЛОПАСТНЫХ ОСЕВЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ

Специальность 05.05.06. «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой Степени кандидата технических наук

1 Г) Г--"

Новосибирск - 2012

005042658

005042658

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте горного дела им. H.A. Чинакала Сибирского отделения РАН в лаборатории рудничной аэродинамики

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Горный институт УрО РАН

Защита состоится « 18» мая 2012 г. в 12 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 003.019.01 в Институте горного дела Сибирского отделения РАН по адресу: 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела СО РАН.

Автореферат разослан «16 » апреля 2012 г.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Петров Нестер Никитович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических

наук, профессор

Курзин Владимир Борисович

доктор технических наук Маттис Альфред Робертович

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблемы развития горного дела относится к числу приоритетных государственных задач. На сегодняшний день в России действует более десяти крупнейших угольных компаний, добыча угля ведется более чем на 90 угольных шахтах и увеличивается с каждым годом.

За счет углубления горных работ вентиляционные системы шахт становятся сложными объектами с разветвленной сетью с использованием большого количества вентиляторов местного и главного проветривания. Также следует отметить, что из-за увеличения глубины шахт и рудников, интенсификации и усложнения очистных и горнопроходческих работ, повышается количество выделяющихся вредных газов и пыли, возрастает степень угрозы отравления горнорабочих и взрывов метана в шахтах. Вследствие этого в настоящий момент к шахтной вентиляции предъявляются повышенные требования, обусловленные такими важными показателями как: безопасность, здоровье и производительность труда шахтеров. Основным звеном, обеспечивающим атмосферные условия, необходимые для безопасного ведения работ в подземных горных выработках являются вентиляторные установки. Поэтому одним из важных факторов обеспечения безопасности подземной добычи полезного ископаемого является совершенствование вентиляции горных работ, что диктует необходимость разработки новых образцов вентиляционного оборудования.

Вентиляторные установки также являются важнейшим объектом жизнеобеспечения подземных сооружений метрополитенов. От их надежности, возможности оперативного управления в штатном и аварийном режимах зависит безопасность работы метрополитенов.

Проведенный анализ эффективности способов регулирования осевых вентиляторов малой мощности (до 1 ООО кВт и диаметром до 2400 мм) показал, что применять машины с поворотными на ходу лопатками рабочего колеса нецелесообразно из-за их высокой стоимости, низкой надежности и т.п. Поэтому для создания рабочих колес реверсивных вентиляторов малой мощности необходимо рассматривать способ их регулирования и реверсирования изменением частоты и направления вращения. Для чего требуется разработка новых аэродинамических схем. Под аэродинамической схемой понимаем определенную геометрию лопаточной системы, рассчитанную на требуемые аэродинамические, акустические, весовые и габаритные параметры при высоком КПД.

Группой исследователей под руководством И. В. Брусиловского установлено, что достаточные реверсивные характеристики неповоротно-лопастных рабочих колес с однорядными телесными лопатками обеспечиваются при использовании лопаток Б-образной формы.

Однако геометрия сдвоенных листовых Б-образных лопаток не разрабатывалась и отсутствует методика расчета таких лопаток.

Таким образом, задача разработки новых реверсивных аэродинамических схем для неповоротно-лопастных осевых вентиляторов малой мощности и методики их расчета является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка методики и основ проектирования аэродинамических схем с тонкими сдвоенными Б-образными лопатками для реверсивных рабочих колес осевых вентиляторов, регулируемых на ходу изменением частоты и направления вращения.

Идея работы. Улучшение аэродинамических качеств и эксплуатационных свойств осевых вентиляторов малой мощности достигается использованием сдвоенных Б-образных листовых лопаток рабочего колеса.

Объект исследования - рабочее колесо реверсивного неповоротно-лопастного осевого вентилятора с тонкими сдвоенными Б-образными лопатками.

Предмет исследования - математические модели, геометрические параметры и аэродинамические характеристики решетки тонких сдвоенных 8-образных лопаток рабочих колес осевых вентиляторов, реверсируемых и регулируемых изменением частоты и направления вращения.

Задачи исследования:

- Обобщить и доработать математические модели решения прямой и обратной задач аэродинамического проектирования решеток рабочих колес осевых вентиляторов с тонкими сдвоенными Б-образными лопастями.

- Разработать математические модели описания срединной линии тонких Б-образных лопастей, обеспечивающих наибольший коэффициент подъемной силы и наименьшие профильные потери.

- Исследовать влияние попарного расположения лопастей в решетке на аэродинамические характеристики рабочего колеса осевого вентилятора.

- Определить наилучшее взаимное расположение лопастей по условию «безударности» входа потока в решетку тонких сдвоенных Б-образных лопаток.

Методы исследования включают: анализ источников научно-технической информации, постановку и проведение теоретических исследований, проведение численных экспериментов методами математического анализа и численного моделирования на базе данных эксперимента по испытаниям модельных и натурных вентиляторов.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. Повышенные аэродинамические характеристики в прямом и реверсивном режимах обтекания решетки обеспечивают лопасти рабочего колеса, срединная линия которых описывается функцией, состоящей на У* соответственно из полинома 4-й степени, косинусоиды, синусоиды и полинома 2-й степени.

2. Коэффициент подъемной силы лопатки со сдвоенными Б-образными лопастями в 2,0-2,5 раза больше указанных параметров решетки с одинарным расположением лопастей.

3. «Безударный» режим обтекания решетки тонких слабоизогнутых сдвоенных Б-образных лопастей обеспечивается при их расположении по окружности и осевом смещении друг относительно друга, соответственно, на 0,16 и 0,15 шага решетки.

Достоверность научных результатов, выводов, рекомендаций обеспечивается:

а) корректным использованием численного метода дискретных вихрей, а также методическими и теоретическими фундаментальными исследованиями, выполненными представителями научной школы С.М. Белоцерковского;

б) сопоставлением и корректировкой результатов, выполненных численных экспериментов с данными по результатам продувки в ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского и ООО «ИННОВЕНТ» модельных и натурных вентиляторов диаметром 700 и 2000 мм.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработано математическое описание срединной линии тонких слабоизогнутых S-образных лопастей рабочего колеса реверсивного осевого вентилятора;

установлено влияние попарного расположения тонких S-образных лопастей на основные аэродинамические характеристики решеток рабочего колеса.

- численным моделированием установлено, что «безударный» режим обтекания тонких сдвоенных S-образных лопастей обеспечивается обоснованным рациональным взаимным расположением лопастей в решетке.

Личный вклад автора состоит в разработке математических моделей, методов и расчете аэродинамических характеристик и геометрии лопаток рабочих колес реверсивных осевых вентиляторов различного назначения.

Практическая ценность диссертационного исследования состоит в том, что оно создает методическую базу для проектирования рабочих колес реверсивных осевых вентиляторов, регулируемых изменением частоты и направления вращения, для вентиляции шахт, рудников и метрополитенов.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на V Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2009); «Пятой Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле» (Новосибирск, 2010); Научном симпозиуме «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2010» (Москва, 2010); «Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (Новокузнецк, 2010); Международной конференции «Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика», посвященной 90-летию со дня рождения академика H.H. Яненко (Новосибирск, 2011); Международной научно-практической конференции «Рудник будущего: проекты, технологии, оборудование. Синтез знаний в естественных науках» (Пермь, 2011).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 научных работах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 63 рисунка и список литературы из 86 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель и идея работы, научная новизна и практическая ценность, а также научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор этапов создания и развития аэродинамики осевых вентиляторов.

Большую роль в повышении аэродинамических качеств осевых вентиляторов сыграли работы, выполненные в ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского К. А. Ушаковым, И. В. Брусиловским и другими учеными. Немаловажное значение имели успехи, достигнутые в области аэродинамики осевых компрессоров в связи с работами С. А. Довжика, А. С. Гиневского, В. С. Бекнева и других ученых. Важные вопросы в области устойчивости работы осевых вентиляторов нашли решение в трудах А. А. Дзидзигури и его учеников и в области их акустики - в работах Е. Я. Юдина. Поиску повышения аэродинамических показателей вентиляторов и возможных путей расширения их рабочей зоны посвящены работы Г. А. Бабака. А. Р. Бушеля, Е. М. Левина, И. А. Раскина, H.H. Петрова, H.A. Попова, В.Н. Макарова и др.

В первой главе проведен обзор методов выбора схем и расчета геометрии лопаточных систем реверсивных и нереверсивных вентиляторов. Решением прямых и обратных задач аэродинамического проектирования посвящены работы Г. И. Костычева, JI. А. Симонова, Г. Ю. Степанова, Г. Г. Тумашева, В.А. Руденко, И. А. Беззубко, В.Б. Курзина, В.А. Юдина, Е.А. Батяева, Н. Б. Ильинского, А. М. Елизарова, С. М. Аульченко, А. Ф. Латыпова и др.

Показано, что необходимо обобщить и доработать математические модели решения прямой и обратной задач аэродинамического проектирования решеток для сдвоенных S-образных лопастей.

Проведен сравнительный анализ эффективности аэродинамических схем существующих шахтных и тоннельных вентиляторов малой мощности. Показано, что существующие вентиляторы местного проветривания имеют максимальный полный КПД в пределах 0,7-0,75, регулируются вручную за счет сменных лопаточных венцов или изменением угла установки лопаток входного направляющего аппарата и не реверсируются.

Анализ аэродинамических схем тоннельных вентиляторов показал, что рассмотренные вентиляторы имеют завышенное номинальное давление в расчетной точке (свыше 50 даПа), при этом участки вентиляционных сетей с требуемым давлением до 30 даПа, а таких более 80 %, проветриваются с низким эксплуатационным КПД. В связи с этим ставится задача проектирования реверсивных рабочих колес на различные давления вентиляторов.

Вторая глава посвящена постановке прямой задачи аэродинамического проектирования, выбору основных параметров для расчета и метода ее решения для вентиляторов на различные режимы работ.

Определение суммарной циркуляции скорости вокруг сдвоенных лопастей сводится к решению системы сингулярных интегральных уравнений

относительно интенсивности вихрей, которая с помощью метода «дискретных вихрей» сводится к системе линейных алгебраических уравнений.

За основные аэродинамические характеристики решеток принимают коэффициенты аэродинамических сил, действующих на лопасти решетки: сх — коэффициент профильного сопротивления, су - коэффициент подъемной силы. При этом основные аэродинамические характеристики являются функциями от суммарной циркуляции вокруг тонких лопастей: сх = g¡(Г), сх = Г — суммарная циркуляция вокруг тонких лопастей, которая является функцией от их геометрических параметров.

Таким образом, для определения основных аэродинамических характеристик тонких сдвоенных лопастей необходимо знать основные геометрические параметры решетки, в особенности, вид функции, описывающей срединную линию лопасти.

В диссертации было исследовано 4 вида указанных функций:

У3(х) =

С[(х), 0<х<хс/2

0е), хс/2<х<хс С^х), хс <х<(Ь+хс)12 в^х), (Ь+хс)/2<х<Ь

[е^х), 0 <Х <(Ь+Хс)/2 [£2(л:), (Ь + хс)/2<х<Ь'

У2(х)'

0<х<хс/2

хс/2<х<хс

Р2(х),

А(х), хс<х<(Ь+хс)/2 Р4{х), (Ь+хс)/2<х<Ь

У4(х) = Р(х), 0 <х<Ь.,

где С\(х), Ол(х), Р\(х), Рь(х), Е^(х), Е(х) - полиномы 2 и 4-й степени, С2(х), Ръ(х) - косинусоиды, Рг(х), С^/х), Е2(х) - синусоиды, хс - положение точки перегиба, Ъ - величина хорды лопасти.

Для определения распределения циркуляции вдоль тонкой одиночной лопасти используется метод дискретных вихрей: тонкая лопасть, обтекаемая идеальной несжимаемой жидкостью, заменяется системой дискретных вихрей с циркуляцией у,. При этом необходимо подобрать значения у; таким образом, чтобы поток, индуцированный вихревой системой, был аналогичен потоку, обтекающему реальную тонкую лопасть. Зная у, на каждом участке, можно определить коэффициенты подъемной силы су и профильного сопротивления сх как:

Су=-2Гсоя а, Сх=2Г$т а, Г

N

На рис. 1 показаны расчетные зависимости коэффициентов подъемной силы и профильного сопротивления для исследуемых лопастей, из которых видно, что срединная линия тонкой лопасти, описываемая функцией у/(х) имеет наибольший коэффициент подъемной силы и наименьший коэффициент профильного сопротивления при одном и том же угле атаки. Как известно из теории проектирования и расчета осевых вентиляторов, высокий КПД соответствует, в первую очередь, малому профильному сопротивлению лопаток рабочего колеса. Кроме того, такая лопасть имеет максимальный ко-

эффициент подъемной силы сутт (следовательно, и наибольшую суммарную циркуляцию вокруг лопасти) и наименьший минимальный коэффициент профильного сопротивления Схт,„, т.е. наибольший параметр аэродинамического совершенства сутах / схтт.

а б

Рис. 1. Расчетные зависимости коэффициента подъемной силы (а) и силы профильного сопротивления (б) от угла атаки для исследуемых профилей

Поэтому в качестве функции, описывающей срединную линию тонкой лопасти, выбрана кусочно-гладкая функция у}(х), состоящая на 'Л соответственно из полинома 4-й степени, косинусоиды, синусоиды и полинома 2-й степени.

Аналитически получены зависимости основных аэродинамических характеристик решетки от угла атаки при реверсивном режиме ее обтекания, которые показали, что основные аэродинамические характеристики решетки тонких Б-образных лопастей в реверсивном режиме обтекания составляют до 90 % от аналогичных характеристик при прямом режиме обтекания решетки.

Численными экспериментами получены зависимости основных аэродинамических характеристик сдвоенных лопастей от угла атаки а (рис. 2). Из графиков зависимостей видно, что коэффициент подъемной силы сдвоенной лопасти на небольших углах атаки в 2-2,5 раза больше коэффициента подъемной силы одиночной лопасти. Кроме того, на небольших углах атаки коэффициент профильного сопротивления отличается незначительно. а б

Рис. 2. Расчетные зависимости коэффициента подъемной силы (а) и силы профильного сопротивления (б) тонких Э-образных лопастей от угла атаки: 1- аэродинамические характеристики сдвоенной лопасти, 2 - аэродинамические характеристики одиночной лопасти

Третья глава посвящена разработке методики решения обратной задачи аэродинамического проектирования, т.е. расчету геометрических параметров решетки тонких сдвоенных S-образных лопастей рабочего колеса реверсивных, неповоротно-лопастных осевых вентиляторов.

Как известно, лопаточная система вентилятора проектируется на конкретные аэродинамические параметры, такие как: максимальный полный КПД 7, требуемое значение производительности Q и статического давления Psv при работе вентилятора на расчетном режиме. Кроме того, для аэродинамического расчета проектируемого вентилятора необходимо знать его геометрические параметры: границы проточной части, т.е. D - внешний диаметр по концам лопаток рабочего колеса вентилятора и d - диаметр втулки (чаще используют параметр v=D/d - втулочное отношение), п - частота вращения ротора, z — количество лопаток рабочего колеса.

Как правило, осевой вентилятор рассчитывается на постоянную по радиусу рабочего колеса циркуляцию. Следовательно, основные требования, предъявляемые к вентилятору, можно свести к требованию обеспечения заданной циркуляции скорости вокруг сдвоенных лопастей рабочего колеса. Отсюда вытекает первое условие, предъявляемое к решетке сдвоенных лопастей: суммарная циркуляция скорости вокруг тонких сдвоенных лопастей в решетке должна быть постоянной величиной для всех цилиндрических сечений решетки рабочего колеса вентилятора и равной циркуляции, требуемой по условиям задачи.

Другим условием, используемым при аэродинамическом проектировании лопаточной системы рабочего колеса осевого вентилятора, является требование безударного входа потока в решетку тонких лопастей. Это условие означает, что скорость набегающего потока к передней кромке лопасти должна быть направлена по касательной к лопасти в этой точке.

Таким образом, решение обратной задачи сводится к соответствующему выбору геометрических параметров сдвоенных лопастей, обеспечивающих выполнение всех рассмотренных выше требований и условий.

Выбор соответствующих геометрических параметров решетки тонких сдвоенных лопастей проводится путем многократного решения прямой аэродинамической задачи.

Решение прямой задачи сводится к нахождению функций интенсивности вихревых слоев jj (cj, удовлетворяющих разработанной системе сингулярных интегральных уравнений.

Относительно функций интенсивности вихревых слоев fj(^j) могут быть сформулированы основные условия и требования, предъявляемые к рассматриваемому течению и проектируемой лопаточной системе рабочего колеса.

Условие обеспечения заданной циркуляции скорости Г7 вокруг сдвоенных лопастей рабочего колеса может быть записано относительно функций у}(как:

1 У\(<?i+ I Г2)= гт = const' О)

L} ¿2

где L/ и L2- контуры вокруг первой и второй лопасти в сдвоенной лопатке.

Условие безударного входа в решетку относительно функций у; означает, что эти функции должны быть ограниченными в передних кромках соответствующих лопастей:

У] (§) — 0 при > 0,] =1,2. (2)

Тогда обратная задача аэродинамического проектирования формулируется следующим образом: требуется определить основные геометрические параметры решетки тонких сдвоенных Б-образных лопастей, при которых функции У] (£), определяемые из системы сингулярных интегральных уравнений, удовлетворяют условиям (1) и (2).

В главе 2 показано, что система сингулярных интегральных уравнений может быть сведена к системе линейных алгебраических уравнений с использованием метода «дискретных вихрей». При этом условия (1) и (2) можно также представить в дискретном виде:

= г(')=0.г[2)=о. (3)

п=\ /7=1

(I) (2)

где У\ ■> 7\ ~ интенсивности дискретных вихреи на передних кромках профилей. Система линейных алгебраических уравнений решается численно методом Гаусса с выбором максимального элемента. В результате находим суммарную циркуляцию скорости вокруг сдвоенных лопастей Г.

Далее при решении задачи вводилась целевая функция: % = |ГТ - Л, при этом х ~ функция от параметров, определяющих геометрию решетки. Дальнейшая задача сводится к нахождению минимума целевой функции %. Для решения этой задачи используется один из методов оптимизации функций многих переменных.

Геометрия тонкой слабоизогнутой лопасти задается функцией вида:

б^О), 0 < х < хс /2

й2 (*), хс / 2< х< хс

(х), хс<х<(Ь + хс)/2'

С4(х), (Ь + хс)/2 < х < Ь

где С\(х), С/$(х) - полиномы 2 и 4-йстепени, С2(х) - косинусоида, С3(х) - синусоида, Ь - величина хорды лопасти, хс — положение точки перегиба.

Следовательно, геометрия решетки тонких сдвоенных Б-образных лопастей будет полностью определяться множеством, состоящим из 12 независимых безразмерных параметров:

М={ЬР], /и, Д х0), у0]},]= 1, 2, (4)

где Ъ— величина хорды лопасти, угол выноса лопасти, х0р уо/ — координаты первой точки, считая от начала лопасти.

Количество варьируемых параметров из множества (4) можно сократить, используя дополнительные условия.

Одним из таких условий для неповоротно-лопастных рабочих колес является взаимное расположение лопастей в решетке. Для решения этой задачи проведен численный анализ относительных эпюр скоростей вдоль поверхностей Б-образных лопастей (рис. 3), который позволил оценить эффективность обтекания решетки, диапазон рациональных режимов ее использования, а также возможность возникновения отрыва и безударного входа потока. Л _

Рис. 3. Взаимное расположение сдвоенных лопастей рабочих колес: И - шаг решетки, t\ - расстояние между лопастями по оси х, ¿2 - расстояние между лопастями по оси у, Ус, — скорость невозмущенного потока, а - угол атаки, в0 - угол между касательной к линии тока основного потока и осью х, в— угол установки лопасти, Р - угол геометрического выноса лопасти

Для определения относительного расположения лопастей в решетке проведено численное исследование обтекания лопастей при различных значениях параметров ^и 12, при этом значения параметров ^ и е2 изменялись в широком диапазоне величин. На рис. 4 показаны относительные скорости сверху и снизу лопасти в двух предельных случаях сочетания параметров Г2: а) и = 0, ¿2= 0,05й, 6)Ь = 0,16/г, Н= 0,15И.

Из анализа эпюр скоростей следует, что в первом варианте имеет место неблагоприятное обтекание лопастей, при котором на входе во вторую лопасть наблюдаются значительные градиенты скорости, способствующие возникновению местных отрывных зон.

а б

0.4

Рис. 4. Относительные скорости сверху и снизу лопастей при различных значениях параметров и ¡2: а - /, = О, Г2 = 0,05/1, б - Г, = 0,16/г, Г2 = 0,15й

Во втором предельном случае у входной кромки каждой из лопастей со стороны давления и со стороны разрежения скорости принимают более близкие по величине значения, то есть имеет место наиболее эффективный для решеток тонких слабогоогнугых лопастей режим обтекания, близкий к безударному.

Таким образом, установлено, что «безударный» режим обтекания решетки тонких сдвоенных Б-образных лопастей обеспечивается при их расположении по окружности и осевом смещении друг относительно друга, соответственно, на 0,16 и 0,15 шага решетки.

Исследования, проведенные в главе 2, показали, что изменение всех этих параметров оказывает влияние на величину коэффициента подъемной силы и, соответственно, на величину суммарной циркуляции вокруг тонких сдвоенных лопастей. Показано, что при аэродинамическом проектировании лопаточной системы рабочего - колеса осевого вентилятора рассмотренная выше обратная задача должна быть решена для не менее трех базовых сечений лопаточного венца - корневого, среднего (расчетного) и верхнего. Для каждого базового сечения геометрические параметры лопастей определяются из условия постоянной по радиусу циркуляции.

При решении обратной задачи аэродинамического проектирования в качестве дополнительных условий, накладываемых на течение в решетке, следует использовать условия «безударности» входа и безотрывности обтекания решетки лопастей. Однако эксплуатация турбомашин часто проводится на режимах, когда с лопастей их рабочих колес происходит отрыв потока.

Для определения влияния отрыва потока проведен численный расчет аэродинамических характеристик решеток тонких сдвоенных 8-образных лопастей с учетом отрыва потока (рис. 5) по методике, предложенной профессором Курзи-ным В.Б., из которого следует, что влиянием отрыва на аэродинамические характеристики решетки можно пренебречь лишь при очень малых отклонениях угла входа потока от безударного е ~ а - а- угол атаки, а0 — угол безударного входа потока в решетку. При этом показано, что с использованием условия о взаимном расположении лопастей в решетке влияние отрыва потока на аэродинамические характеристики решетки можно снизить. а

1.6-1,. -.......-..........г г - <>.2-1

Рис. 5. Зависимость коэффициента подъемной силы (а) и силы профильного сопротивления (б) от е = а - а0 при /9 = 15°: 1 - зависимости с учетом отрыва потока с передних кромок лопастей, 2 - зависимости без учета отрыва, 3 — зависимости с учетом отрыва, при значениях параметров // = 0,16/г, 0,15/г

Кроме влияния отрыва на величину коэффициентов аэродинамических сил, практический интерес представляет влияние отрыва потока на КПД решетки //, потери которого определяется по формуле: ,2

Atj.

24

О

cosa

71

sin(dQ - a)signs + — cos(6q - а)

где во — угол между касательной к линии тока основного потока и осью х, А0 (г) - коэффициент при особенности функции интенсивности вихревых слоев. На рис. 6 приведены графические зависимости, характеризующие влияние отклонения вектора скорости от угла безударного входа на КПД решетки при угле геометрического выноса лопасти Р = 45°.

0.2-

Рис. 6. Влияние отклонения вектора скорости от угла безударного входа на КПД решетки при р =45°: 1 - 0= 0. Ь = 0,05/г, 2-0 = 0,16й,^=0,15й

0.16-

0.12

0.08-

0.0-1-

0.05 0.15 0.25 0.35

Как видно из рис. 6, при малых значениях отклонения вектора скорости от угла безударного входа величиной Лг] можно пренебречь. Уменьшить потери КПД можно при условии соответствующего расположения сдвоенных лопастей в решетке. Из рис. 6 видно, что максимальная величина потерь КПД во втором случае в 2.5-3 раза меньше, чем при значениях параметров Г/ = 0, ^ = 0,05й.

Таким образом, обоснованное в работе взаимное положение сдвоенных лопастей решетки способствует уменьшению влияния отрыва потока на аэродинамические характеристики решетки тонких сдвоенных лопастей. Кроме того, такое расположение лопастей приводит к уменьшению величины потерь КПД.

Четвертая глава посвящена анализу технологических особенностей, определению требуемых размерных рядов, разработке исходных данных для проектирования рабочих колес и расчету геометрии сдвоенных листовых лопаток реверсивных, неповоротно-лопастных осевых вентиляторов различного назначения.

Показано, что реверсивные, неповоротно-лопастные осевые вентиляторы малой мощности предназначены для широкого применения, в том числе в качестве вентиляторов местного проветривания шахт, вентиляторов главного проветривания шахт и рудников, а также метрополитенов.

Проведенные исследования позволили разработать аэродинамические схемы и обосновать параметры конструкций рабочих колес реверсивных вентиляторов малой мощности для местного проветривания шахт диаметром 1000, 1200 мм (рис. 7, 8), вентиляторов главного проветривания шахт (рудников) диаметром 1800, 2100 мм, а также тоннельных вентиляторов диаметром 1500, 1800, 2100. Вентиляторы имеют предельно простую конструкцию, с одним цельносварным рабочим колесом.

Рис. 8. Рабочее колесо (а) и сдвоенные листовые Б-образные лопатки (б) вентилятора ВМЭ-2(1)-12ВР

Выбор расчетных аэродинамических параметров нового ряда рабочих колес реверсивных, неповоротно-лопастных осевых вентиляторов для местного проветривания шахт диаметром 1000 и 1200 мм проводился при условии увеличения на 10-15 % их производительности и давления относительно известных используемых аналогов. Регулирование режимов их работы осуществляется путем изменения частоты вращения от 750 до 1500 об/мин.

а б

Подача воздуха

Рис. 7 Реверсивный и регулируемый изменением частоты и направления вращения вентилятор местного проветривания шахт ВМЭ-2(1)-12ВР:1 — неподвижные ребра «Спрямляющий аппарат», 2, 3 - рабочие колеса с Б -образными сдвоенными листовыми лопатками первой и второй ступени, 4 - неподвижные ребра «Направляющий аппарат», 5 - электродвигатель, 6 - корпус вентилятора

и

Направление

вращения

На требуемые аэродинамические параметры вентиляторов были рассчитаны аэродинамические характеристики (рис. 9) и определены основные параметры в расчетной точке, приведенные в таблице 1.

Основные аэродинамические параметры нового ряда реверсивных, неповоротно-лопастных осевых вентиляторов для местного проветривания Таблица 1

Название параметра Обозначения, ед. измерения Величина параметра

Диаметр вентилятора Б, м 1,0 1,2

Частота вращения п, об/мин 1500 1500

Номинальная производительность вентилятора 0, м3/с 17 30

Номинальное динамическое давление Ра„ даПа 70 105

Номинальное статическое давление Р8„ даПа 175 230

Номинальное полное давление Ру, даПа 245 335

г

30

. ------- "0 8 . ''750 об/.мнн 1500 об'мнн

...... —.— j—...... -0Л

1Э1Д1 oib'.MHB О0 оо/мин -0.6

/ / \

/ \ < \ -0.5 /

/ \ 1 '

. J____ t -0.4

Реверс ps 250 -1 . даПа Ps> щаПа ----- Прямая

R milt 200 - Ri —N/ [till работа

\ -................ ........

\ ...... 150 — 7

.............. /\ ...... 7.........

-151 / - 10 об/мин . 4 .......1. V \ \ ' ..... 100 - / 00 об/ 111И X М 3/с

/ в

Q, м 1« / ...../• -Ti-rt ■ ........ 50 - / 7f i оо/мв R 1ПЯ \ Q.

max З/С ' -i^U оо. мин /--- ч.......- ......-...... "1

1 . | 1--[

-50

Т1 0.8 7 об (Mini 1500 об Mini

1 Is ~0 7

1500 об МШ 50 no мин

\ г > "0.6 \

/ > -0.5

1 1 1 1

/ ь 1 -П i. _j

inn _

IV вер С R mill \ -I 1аП а Р5,ла Па f mill у Примой работа

\ \ 2i / ' V

f....... ■ / / с UMtl) ЭО/ШШ

/ \

j 15 00 о б млн / \ /

1ЛЛ /

] ^ m / 1 . Т?0 об X ми ! / ,75 0 обмин \ R max

Q, м3/с 1 -У ~7 г У ir** О, м 3/с

i ■ i ■ [ ' 1 ! 1 1 1 1 1 1 1 -

50

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30

Рис. 9. Расчетные аэродинамические характеристики вентиляторов ВМЭ -2 (1) - 10ВР (а) и ВМЭ - 2 (1) - 12ВР (б) со сдвоенными Б-образными листовыми лопатками рабочего колеса

Для обеспечения необходимых расчетных значений производительности и давления проектируемых вентиляторов (таблица 1) проведен расчет тонких сдвоенных Э-образных лопаток вентиляторов местного проветривания диаметром 1000 и 1200 мм (рис. 10) с помощью методики, изложенной во второй и третей главах.

Рис. 10. Привтулочное (сплошная линия) и периферийное (пунктирная линия) сечения рассчитанной тонкой сдвоенной 8-образной лопатки рабочего колеса вентилятора ВМЭ -2 (1) - 12ВР (а) и аксонометрия рассчитанной лопаточной системы (б).

В таблице 2 приведены основные геометрические параметры рассчитанной лопаточной системы рабочих колес реверсивных, неповоротно-лопастных осевых вентиляторов диаметром 1200 мм для местного проветривания шахт.

Основные геометрические параметры лопаточной системы рабочего колеса вентилятора местного проветривания диаметром 1200 мм Таблица 2

Относит, радиус сечения Хорды профилей, м Максимальная величина прогибов в долях хорды Угол геометрического выноса лопасти, градусы

г Ь /,/ь /7/Ь Р

0,6 0.15 0,0125 -0,039 34,84

0,696 0,142 0,0125 -0,038 40,29

0,792 0,137 0,0125 -0,036 45,75

0.944 0,136 0,0125 -0,031 53,75

1,0 0.137 0,0125 -0,03 55,91

Проведенные исследования позволили разработать аэродинамические схемы и обосновать параметры конструкций рабочих колес реверсивных вентиляторов главного проветривания шахт диаметром 1800 и 2100 мм. Регулирование их режимов работы осуществляется путем изменения частоты вращения от 750 до 1500 об/мин. В качестве исходных для расчета геометрических параметров лопаток рабочих колес реверсивных, неповоротно-лопастных осевых вентиляторов главного проветривания шахт также определены требуемые аэродинамические параметры в расчетной точке (таблица 3).

Основные аэродинамические параметры нового ряда реверсивных, неповоротно-лопастных осевых вентиляторов главного проветривания шахт Таблица 3

Название параметра Обозначения, ед. измерения Величина параметра

Диаметр вентилятора О, м 1,8 2Д

Частота вращения п, об/мин 1500 1500

Номинальная производительность вентилятора м3/с 86,3 95

Номинальное динамическое давление Р<к, даПа 171,3 112

Номинальное статическое давление даПа 485 295

Номинальное полное давление Ру, даПа 656,3 407

Для обеспечения необходимых расчетных значений производительности и давления проектируемых вентиляторов (таблица 3) проведен расчет тонких сдвоенных Б-образных лопаток рабочих колес вентиляторов главного проветривания шахт диаметром 1800 (рис. 11) и 2100 мм с помощью методики, изложенной во второй и третей главах.

Л-. •«;

Рис. 11. Привтулочное (сплошная линия) и периферийное (пунктирная линия) сечения рассчитанной тонкой сдвоенной Б-образной лопатки рабочего колеса вентилятора ВО - 188Э.

X. м

<■-г

0.05 ; 0.1 0.15

Длительная эксплуатация опытных и опытно-промышленных образцов (с 1989 по 2000 г.) реверсивных и регулируемых на ходу поворотом лопаток рабочего колеса тоннельных вентиляторов показала, что кардинальное повышение их надежности и снижение стоимости, в т. ч. на стадии эксплуатации, возможно за счет регулирования и реверсирования режима их работы изменением частоты и направления вращения рабочего колеса. На базе новой аэродинамики разработаны аэродинамические схемы для тоннельных вентиляторных агрегатов диаметром 1500, 1800 и 2100 мм. Регулирование режимов работы вентиляторов осуществляется изменением частоты вращения для рабочих колес диаметром 1500 и 1800 мм от 375 до 750 об/мин, для рабочих колес диаметром 2100 мм - от 250 до 500 об/мин.

Анализ статистических данных по эксплуатационным давлениям тоннельных вентиляторов на объектах России показал, что требуемые аэродинамические характеристики тоннельных вентиляторов, выполненных по разрабатываемым аэродинамическим схемам, должны покрывать поля вентиляционных режимов по статическому давлению в пределах от 20 до 40 даПа и подавать возможно большее количество воздуха. На требуемые аэродинамические параметры вентиляторов рассчитаны аэродинамические характеристики и определены основные аэродинамические параметры в расчетной точке (таблица 4).

Расчетные аэродинамические параметры тоннельных вентиляторов Таблица 4

Название параметра Обозначения, ед.измерения Величина параметра

Диаметр вентилятора D, м 1,5 1,8 2,1

Частота вращения п, об/мин 750 750 500

Номинальная производительность вентилятора Q, м3/с 41,65 72 80

Номинальное динамическое давление Pdv, даПа 80 119 79,5

Номинальное статическое давление Psv, даПа 39,3 56,6 34

Номинальное полное давление Pv, даПа 119,3 175,6 113,5

На базе новой аэродинамики разработаны проекты по модернизации тоннельных вентиляторов ВОМД-24, которые более чем двукратно выработали свой ресурс. Регулирование режимов работы вентиляторов осуществляется изменением частоты вращения для рабочих колес от 250 до 500 об/мин.

Модернизированный вентиляторный агрегат может оснащаться разными типами рабочих колес: высоконапорными на давление от 10 до 85 даПа с производительностью от 30 до 80 м3/с; высокорасходными на давление от 5 до 55 даПа с производительностью от 45 до 140 м3/с или промежуточными.

Для обеспечения необходимых расчетных значений производительности и давления проектируемых вентиляторов (таблица 4) проведен расчет тонких сдвоенных S-образных лопаток рабочих колес тоннельных вентиляторов диаметром 1500, 1800 и 2100 мм (рис. 12 а) и рабочих колес для модернизации вентиляторов ВОМД-24 (рис. 12 б) с помощью методики, изложенной во второй и третей главах. а б

: г W- jr,-«

. . . л

1 1 л « XV • ! , * <М Л ел

V

!

Рис. 12. Привтулочное (сплошная линия) и периферийное (пунктирная линия) сечения рассчитанной тонкой сдвоенной Б-образной лопатки рабочих колес вентиляторов ВО - 21Э (т) (а) и ВОМ-24Эм2 (б)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных исследований изложены научно-обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для развития страны и направленные на разработку новых аэродинамических схем реверсивных, неповоротно-лопастных осевых вентиляторов малой мощности. Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Установлено, что срединная линия тонких лопастей сдвоенной листовой лопатки, описываемая функцией, состоящей на V* соответственно из полинома 4-й степени, косинусоиды, синусоиды и полинома 2-й степени, имеет наилучшие основные аэродинамические характеристики и наибольший параметр аэродинамического совершенства.

2. Показано, что расчетные зависимости аэродинамических характеристик решетки тонких слабоизогнутых Б-образных лопастей от угла атаки при реверсивном режиме ее обтекания достигают 90 % от аналогичных характеристик при прямом режиме обтекания решетки.

3. Показано, что коэффициент подъемной силы тонкой слабоизогнутой сдвоенной Б-образной лопатки в 2,0-2,5 раза больше коэффициента подъемной силы такой же одиночной лопасти.

4. Проведением численных экспериментов установлены закономерности влияния изменений геометрических параметров решетки тонких лопастей на величину силового аэродинамического взаимодействия этой решетки с потоком.

5. Установлено, что «безударный» режим обтекания решетки тонких сдвоенных Б-образных лопастей обеспечивается при их расположении по окружности и осевом смещении друг относительно друга, соответственно, на 0,16 и 0,15 шага решетки.

6. С помощью проведенного численного эксперимента установлено, что влиянием отрыва на аэродинамические характеристики решетки можно пренебречь в диапазоне малых значений параметра 8, характеризующего отклонение вектора скорости от угла безударного входа, при этом показано, что при обоснованном в диссертации расположении лопастей друг относительно друга влияние отрыва потока на аэродинамические характеристики решетки является минимальным.

7. Численными исследованиями показано, что при малых отклонениях угла входа потока в решетку от безударного потерями КПД можно пренебречь, которые так же снижаются в 2,5-3,0 раза при рациональном расположении сдвоенных лопастей в решетке.

8. По результатам проведенных исследований разработана методика решения прямой и обратной задач аэродинамического проектирования решеток тонких, слабоизогнутых сдвоенных Б-образных лопастей рабочих колес реверсивных осевых вентиляторов. На основе предложенной методики институтом «АЭРОТУРБОМАШ» спроектированы рабочие колеса реверсивных неповоротно-лопастных осевых вентиляторов диаметрами от 1000 до 2400 мм для шахт, рудников и метрополитенов, которые переданы в производство.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Грехнёва Е.Ю. Развитие метода «дискретных вихрей» в приложении к расчету геометрических параметров сдвоенных лопаток рабочих колес реверсивных, неповоротно-лопастных осевых вентиляторов [Текст] / Е.Ю. Грехнёва // Вестн. Кузбасского гос. тех. Унив. - 2011. - №5. - с. 68-70.

2. Петров H.H. Методика проектирования и расчета лопаточных систем реверсивных осевых вентиляторов [Текст] /H.H. Петров, Е.Ю. Грехнёва // Наукоёмкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов: сборник научных статей, Сибирский государственный индустриальный университет, под общей редакцией В.Н. Фрянова. - Новокузнецк. -2010.-е. 440-444.

3. Петров H.H. Методы проектирования и расчета лопаточных систем осевых вентиляторов [Текст] / H.H. Петров, Е.Ю. Грехнёва // Труды конференции с участием иностранных ученых "Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды" Том Ш. Машиноведение. - Новосибирск: ИГД СО РАН. - 2010. - с. 292-296.

4. Грехнёва Е.Ю. Исследование влияния взаимного положения профилей сдвоенных лопаток рабочего колеса осевых вентиляторов малой мощности [Текст] / Е.Ю. Грехнёва // II Международная научно-практическая конференция молодых ученых. Сборник научных трудов. - М.: Издательство «Спутник+».-2011.-с. 158-160.

5. Петров H.H. Разработка новой реверсивной аэродинамической схемы для вентиляторов малой мощности [Текст] / H.H. Петров, Е.Ю. Грехнёва // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды международной научно-практической конференции - Кемерово: Сибирское отделение Российской академии наук, Кемеровский научный центр СО РАН, Институт угля СО РАН, Кузбасский государственный технический университет, ООО КВК "Экспо-Сибирь". - 2011. - с. 43-46.

6. Петров H.H. Разработка аэродинамики и конструкции реверсивных вентиляторов местного проветривания [Текст] / H.H. Петров, Е.Ю. Грехнёва // Журнал «Рудник будущего». - №4(8). - 2011. - с. 76-78.

Подписано в печать. Формат 60 х 84 / 16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. H.A. Чинакала Сибирского отделения РАН 630091, г. Новосибирск, Красный проспект 54.